（机械工程专业论文）履带全液压挖沟机新品研发.pdfVIP

中文摘要 结合国内首次履带全液压挖沟机的研发工作，本文主要解决了总体设计、行 走功率的计算，切削功率与行走功率的匹配、支重轮布置、履带张紧装置预张紧 力的计算等问题。 首次将工作装置切削力作为附加力计算到履带的行走内阻力、爬坡阻力上。 同时，提出了切削功率与行走功率如何进行匹配。 采用新的方法，较好地解决了工作装置既需要支承又需要传动的问题。同时， 在工作装置受力计算上，提出挖沟机在挖掘圆弧形沟渠时附加阻力作为计算工作 装置臂架强度的受力。 在行走装置设计上，提出采用悬链线计算方法用于履带张紧装置预张力、采 用土壤最大压应力计算支重轮的间距两种新的观点。很好地解决了在履带式车辆 上张紧力和支重轮数量的计算问题。 采用抛物线的计算方法计算排料装置的落料点，在设计中使落料点尽可能处 于胶带的中部，解决了排料装置因落料偏差而引起的跑偏问题。 给出了履带行走装置、切削阻力等的详细计算方法，这些方法不仅适用于挖 沟机设计计算，同时也适于挖掘机等履带车辆的设计计算。 关键词：挖沟机、激光定深装置、斜坡自动调平装置、轴传动装置、排料装 置 a b s t r a c t c o n n e c t e dw i t ht h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ef i r s tu n i to fh y d r a u l i c c r a w l e rt r e n c h e r , t h es o l u t i o no fo v e r a l ld e s i g nc a l c u l a t i o n , t h ec a l c u l a t i o no f t r a v e l i n gp o w e r , t h em a t c h i n go ft h ep o w e rb e t w o e nt r a v e l i n ga n dc u t t i n g ，t h e a l l o c a t i o no ft r a c kr o l l e r s ，t h ec a l c u l a t i o no fr e c o i ls p r i i 培o ft r a c kr o l l e rf r a m eh a v e b e e nf o u n d i ti st h ef i r s tt i m et h a tt h ec u t t i n gf o r c ea sa l la d d i t i o n a lf o r c ew h i c hp u ti n t ot h e c a l c u l a t i o no fi n t e r i o rr e s i s t a n c ef o r c eo ft r a c kg r o u pm a dt h er e s i s t a n c ef o r c ew h e n c l i m b i n gt h es l o p e ；a n di nf i r s tt i m et h a tam e t h o do fh o w t om a t c h i n gt h ep o w e ro f c u r i n ga n dt r a v e l i n gh a v eb e e np r o v i d e d b yu s i n gt h i sn e wm e t h o d ，t h et r a d i t i o n a lp r o b l e mo fw h i c ht h a tt h ew o r k i n g a t t a c h m e n tn e e d e dt ob es u p p o r ta n dd r i v e na tt h es a m et i m e ，h a v eb e e np r o p e r l y s o l v e d w h e np r o v i d et h el o a de a s ei nc i r c u l a rt r e n c hc u t t i n g t h ea d d i t i o n a ls i d ef o r c e n e e dt ob et a k ei n t oc o n s i d e m t i o i l b yu s i n gt h et e u s i o n - l i n ec a l c u l a t i o nm e t h o d ，t h ei n t e r i o rt e n s i o ns t r e s sc a nb e c a l c u l a t e da n d , b yu s i n gm a xp r e s ss t r e s so fc h o s e ns o i l , t h ed i s t a n c eb e t w e e nt r a c k r o l l e r sc a nb ef o u n d t h e s et w on e wm e t h o d sh a v eb e e np r o p e r l ys o l v e dt h ep r o b l e m o f t r a c kl i n kt e n s i o nc a l c u l a t l o na n dt h ec a l c u l a t i 0 1 1f o rt h en u m b e r so f t r a c ki x ) h e r si n t r a c kg r o u p b yu s i n gt h ep a r a b o l a - c a l c u l a t i o nm e t h o dt oc a l c u l a t et h eh i t t i n gp o no ft h e d r o p p i n gm a t e r i a lo u to f t h ed i s c h a r g i n gd e v i c e ，t h eb e s td r o p p i n gp o m tw h i c hs h o u l d b ef a l l e ni n t ot h em i d d l eo f t h er u b b e rh e r t h i sc a nd r a m a t i c a l l ye l i m i n a t et h eo f f s e t o f t h er u n n i n gb e l t t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so ft r a c kr o l l e rg r o u pa n dt h ec u t t i n gf o r c eo fw o r k i n g a t t a c h m e n t ，n o to n l ya p p l yt ot h ec a l c u l a t i o no fah y d r a u l i cc r a w l e rt r e n c h e r , b u ta l s o a p p l yt ot h ec a l c u l a t i o n o f d i f f e r e n tc r a w l e rv e h i c l e s , s u c hh y d r a u l i ce x c a v a t o r k e yw o r d s ：t r e n c h e r , l a s e rd e p t h m e a s u r i n g - d e v i c e , s l o p ea u t o l e v e r i n g - d e v i c e ， a x l ed r i v e nd e v i c e ，d i s c h a r g i i l gd e v i c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：v 彳签字日期：1 ，一印年6 月厶7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：少1 哞 导师签名： 签字日期：州【，年。月l 7 日签字日期： f 月2 日 第一章概述 1 1 课题提出的背景 第一章概述 履带全液压挖沟机新品研发一文主要基于天津鼎盛工程机械有限公司承担 的天津市重大攻关项目履带全液压挖沟机的研制，本人有幸作为该项目的负 责入主持了该项i b 的研究，这个重大攻关项目的研制i b 的是为了研制出适合西气 东输、中俄石油管道等大型工程建设所需要的专用设备，同时它适用于农田水利 建设、通讯电缆及石油管线的铺设、市政施工以及军事工程的建设，具有高效率、 低施工成本、应用广泛等特点。 鉴于履带全液压挖沟机的研制在国内尚属首次，其中很多理论计算、设计方 法以及高新技术在国内尚未有系统的、完善的介绍，在项目的研发过程需要有较 多的独立的研究。因此，把履带全液压挖沟机新品研发作为论文，可提出许多的 新观点、新思路。 1 2 挖沟机简介 挖沟机是工程机械的主要机种之一，广泛应用于农田水利建设、通讯电缆及 石油管线的铺设、市政施工以及军事工程的建设。挖沟机具有专用性强，设备投 资少，可连续挖掘，工作效率高等特点，特别是对于窄而深的沟渠，挖沟机的优 势更加明显。 挖沟机尤其适应于土质较硬、施工场地狭小，人工无法开挖而挖掘机等土方 机械又无作业空间的地方。同时挖沟机的施工成本低于挖掘机等土方机机械的施 工成本，甚至比人工旌工还低而深受广大施工单位的欢迎。 1 2 1 挖沟机的分类 挖沟机足一种连续式挖掘设备。根据工作装置的不同，可分为链齿式和轮斗 式两犬类。按行走装置的不同，还可分为履带式和轮胎式两种。按排土方式分为 地面直排土、胶带输送机排十，地面直排上一般用rd , 型挖沟机，胶带排十般 用丁二大型挖沟机；按挖沟机刀型分为链斗式、链铲式、链齿式( 俗称子弹头) 、 圃盘铣切式、轮斗式和轮齿式等多种形式。本文所研发的挖沟机新品为履带链齿 式挖沟机。 第一章概述 1 2 2 履带全液压挖沟机的结构 履带全液压挖沟机主要由工作装置、电气系统、液压系统、排料装置、机棚、 动力装置、分动箱、行走装置、司机室、和机架等组成。图1 1 是履带全液压 挖沟机简图。 1 2 3 履带全液压挖沟机的工作原理 履带全液压挖沟机的工作原理是：挖沟机的柴油发动机提供动力，通过分动 箱，把动力分配给七个液压泵，液压泵通过液压油把动力传递给行走装置、工作 装置、排料装置等需要动力的工作机构。 挖沟机要开始工作时，司机在驾驶室用控制开关进行操作，通过电控系统， 先打开排料装置的液压马达，使捧料装置正常运转，再打开工作装嚣的液压马达， 使挖沟链开始运转，给工作装置上的加压油缸供油，使工作装黑慢慢下压，并切 入土中，当工作装置开始工作时，行走装置上的液压马达就可以开始工作，带动 整机行走，挖沟机就可以达到挖沟的目的。 工作装置上的挖沟链安装有链齿( 子弹头) ，链齿在行走装置的带动下切入 土壤中，链条在液压马达的驱下动高速运转并切削土壤，同时，土壤被剥离下来 以后，由于挖沟链的运动，土壤被加速，土壤与链齿之间产生摩擦力的分力就是 物料的提升力。在物料提升过程中，如果被提升的物料是粘土，则物料可能被直 接捧到胶带上：如果被提升的物料粘性较小，甚至是岩石时，物料在向上运动过 程中则会不停地下溜，并堆积在链条与挡料板之间；当物料堆积到一定程度时， 最终将被提升到排料装置的胶带输送机上。胶带输送机在液压马达的带动下把土 排到挖沟机的任一侧，完成挖沟机的一个工作过程，由于所有机构都是连续工作， 土壤的切削和排料也都是连续的，所以这种挖沟机是一种连续的挖掘机械。 第一章概述 躁嚣 晕嚣 团握霉霹鞭坦燃剞辩型11_【匝 。_【删丞懵删群心妲桀蒋求h哪浆r罨 稠螓羹牯q螺聪蛆譬螺、兰旷删“删蜊世h 第一章概述 1 3 挖沟机在国外的研发情况 国外挖沟机的发展已有近五十年的历史，以美国、原苏联、英国、法国、瑞 士等国家发展较快。最大的挖沟机功率达到1 5 0 0 马力，机重1 3 6 吨，可挖深1 8 m ， 宽4 5 m 的沟。国外厂商根据用户的不同需求，可在挖沟机上配备多种工作装置， 如推土板，凿孔器，反铲挖，铺缆器等。据统计，8 9 年北美挖沟机销量达8 6 0 0 台，9 0 年美国挖沟机保有量达到5 7 7 0 0 台，其中用于民房建筑工程占2 2 ，重 工业建设占3 7 ，公用事业占2 9 ，其它占1 2 。国外挖沟机用途广，市场大。 目前，在国内知名度比较高的挖沟机公司有美国的v e n n e e r 公司、c a s e 公司、 d i t c hw i t c h 公司，以及英国的m a s t e n b r o e k 公司。 1 4 挖沟机在国内的研发情况 我国七十年代中期由天津工程机械研究所和长春工程机械厂合作，研制出我 国首台轮斗式挖沟机。八十年代中期，三、四个厂家曾分别开发了几种挖沟机械， 但由于经济性和技术性等原因，未能使挖沟机在国内全面推广。 直到二十世纪末，天津工程机械研究所开始新一轮挖沟机的研制，主要研制 的是轮式挖沟机和挖濠机，研制出g c 6 0 挖沟机和军用挖濠机两种挖沟机械，但 履带式挖沟还是国内的空白。因此，开发履带全液压挖沟机具有重大的意义，它 不仅填补国内挖沟机的空白，而且可以降低旌工成本，为国家节省大量的外汇。 1 5 本文任务 由于项目是天津市科委下达的重大攻关项目，因此在本文中，主要解决科委 的攻关任务，同时解决一些在项目研发过程中所发生和发现的问题，主要有下列 几方面的研发内容： l 整机总体参数设计及总体方案确定 2 静压传动下行驶速度与作业速度的匹配研究及确定 3 激光定深系统 4 机架自动调平系统 5 新型传动轴装置 6 履带张紧装置预张紧力计算 7 支重轮布置 8 排料装置落料点计算 第二章总体设计 2 1 总体设计思想 2 1 1 总体设计方案 第二章总体设计 履带全液压挖沟机在国内是首次研发，在设计中大胆地使用了大量的新技术 和新思路，这些新的技术和思路如下： 1 功率自动匹配系统 当挖沟机在挖掘过程中碰到硬块或软岩时，如果挖沟机是高速挖掘，挖沟机 的功率出现不够，发动机会掉速( 转速下降) ，这时系统会根据掉速情况自动降低 挖沟机的行走速度和链条的挖掘速度。 2 激光自动定深控制 挖沟定深控制采用激光控制，激光发射器发出一个激光平面光源，由安装在 工作装置上的接收器接收并转换为直流电信号，由直流信号控制电液比例阀来调 节油缸的供油量和给油方向，以此来达到调节工作装置深度的目的。 3 机架自动调平系统 当挖沟机在斜坡面上工作时，为了保证所挖的沟渠侧壁保持垂直，在工作装 置上安装自动调平系统进行调节。当履带侧斜1 度或更大些时，自动调平系统开 始工作，它给安装在机架上的电磁阀一个信号，电磁阀再根据这个信号决定给调 平油缸的供油量，从而达到调平的目的，最大调平角度为1 0 度，超过1 0 度时， 由人工进行边坡修理。 4 履带行走控制 履带行走采用双泵双马达闭式回路系统，液压泵和液压马达均可调速，当进 行挖沟工作或直线行走时，必须保证挖沟机沿直线行走，在液压马达上装有转速 传感器，当两边马达转速不相等时，电子监控系统自动感应并调节液压泵的输出 流量，转弯时除外，能自动转弯。如需采用手工控制，电子监控系统这时不起作 用。实时显示行走速度。 5 工作装置控制 工作装鼍采用单泵单马达闭式回路系统液压泵采用变量泵，其速度的变化 由电位器和中央控制器来控制，变速范围为0 4 m s ，实际使用在l 4 m s 左右 无级调速，并可显示出速度。 第二章总体设计 6 排料装置的控制 排料装置共有一个液压泵两个液压马达同时驱动，两个液压马达要同步起 动、同步停止，并且可用电位器调速，调速时两个液压马达要达到同转速。速度 变化范围为o 4 m s ，从而可人为地控制排料装置的落料点。 7 动力传递 挖沟机的液压系统是由多个闭式液压系统组成，因挖沟机一共有七个液压 泵，无法直接连接到发动机上，故此在发动机与液压泵之间加装一个齿轮分动箱， 分动箱在设计为考虑了安装和散热问题，采用了整体式箱体，取得了国家专利。 2 1 2 总体参数设计 主参数的设计主要依据天津市科委的攻关项目中有关参数的确定，在项目的 实际研发过程中，参照国外相关机型，如v e r m e e r 公司的履带全液压挖沟机的主 要参数进行研发，在总体参数计算过程中再作进一步的优化，如机器重量、发动 机功率、挖沟深度等参数。下列参数为优化后的参数，具体计算在后面的有关章 节中体现。 整机重量： 2 7 5t 发动机额定功率： 2 3 0k w 发动机转速2 1 0 0 r p m 最大挖沟宽度： 9 0 0 m m 最大挖沟深度： 2 2 0 0 m m 挖沟链速度： o 4 m s 挖沟速度：o 3 0 0 n v h ( 稳定速度7 7 3 0 0m h ) 行走速度： 3 1 6k m h 接地比压：4 7 k p a 爬坡能力： 5 7 2 2 行走速度计算 履带全液压挖沟机的行走速度分转场行走速度和工作行走速度。 2 2 1 转场行走速度计算 由于挖沟机在转场时只需要克服机器自身的运行阻力和对土壤的挤压阻力， 第二章总体设计 其阻力比较小。因此，在计算挖沟机的行走速度时，以液压系统所能发挥的最大 速度进行来进行计算。 行走系统采用的是双泵双马达的闭式回路系统，双泵采用串联泵，两个泵连 在一起，供油采用单独供油，一个泵供给一个马达。 i 行走液压泵流量计算 行走液压泵采用萨奥公司的s 9 0 5 5 c c 双联泵，泵的最大排量q ；= 5 5 m l r ， 系统最大压力r 。x = 3 0 0 b a r ，发动机转速n = 2 10 0r r e i n 。 液压泵的输出流量 政。= 挚 (1)(2-1) 式中：坷v i 液压泵的容积效率，取o 9 6 。 鲸。= 5 5 x 1 2 1 矿0 0 x 0 9 6 = 1 1 0 8 8 ( 1 ) 2 行走马达转速计算 行走液压泵采用萨奥公司的a 6 v e 8 0 ( 5 叹速马达) ，qq 一= 8 0 m 蜥，qg b 。n - - 3 5 m l r ，容积效率口，9 # = o 9 6 ，在计算最大行走速度时，取马达的最小排量进行 计算，即取qq t m i 。= 3 5 m l r 。 马达的输出转速 订马达：! ! ! ! ! 蔓堑( r m i n )( 2 2 ) 簟马遮 厅马选。= 1 0 0 0 x 1 _ 1 i 0 _ 8 8 x 一0 9 6 - 3 0 4 1 2 8 ( r r a i n ) 3 减速机转速计算 采用力士乐公司的g f t 6 0 t 3 行星减速机，减速机的传动比为卢1 1 9 8 ，减速 机的输出转速为： 珂减：掣( r l m i n )( 2 3 ) h o ：3 0 4 1 2 8 ：2 5 4 5 ( r t m i n ) 1 1 9 5 4 履带驱动链轮 履带节距采用t = 2 0 3 2 m m ，齿数为庐2 l 齿，则履带驱动链轮的直径为： 肚靠) ( z - 4 ) 8 ”h 万， 2 第二章总体设计 d = 面2 0 3 2 = 6 8 9 3 9 ( 咖) 8 叫j 衫) 5 整机的行走速度 v ：6 0 w d - n o ( k m h ) f 2 5 1 1 0 0 0 0 0 0 v60 x 3 1 4 x 6 8 9 3 9 x 2 5 4 5 3 3 1( k n 泊) 一 1 0 0 0 0 0 0 一 2 2 2 工作行走速度计算 由于挖沟机在工作时不仅需要克服机器行走所引起的一切阻力，而且需要克 服机器对土壤进行切削时所引起的行走阻力以及工作装置、排料装置和液压油缸 所需要的功率。因此，在计算挖沟机工作的行走速度时，其最大速度按液压马达 的二档速度计算。根据公式2 - 2 得液压马达的输出转速为： 丹马选j = 作= 1 1 0 8 8 x l i o 石0 0 x 一0 9 6 = 1 3 3 0 5 6 ( r r n i n ) 根据公式2 3 得减速机的输出转速为： n 舡作= 酉1 3 3 0 5 6 = 1 1 1 l ( r m i n ) 根据公式2 5 得整机工作时的行走速度 。：竺：i ：! 兰兰鱼! ! ：! ! 兰! ! ：! ! = 1 4 4 ( k m h ) 1 0 0 0 0 0 0 由于液压系统中液压泵采用的是变量泵，液压泵输出流量会根据工作装置的 切削阻力的大小自身进行调整。切削阻力大时，电控系统会自动调节液压泵，使 其流量减小，切削阻力小时，电控系统会增大液压的流量，从而控制了整机的行 走速度，理论上它工作时行走速度可在o 1 4 4 0m h 之间自动调节。但考虑到系 统的综合能力的匹配及发功机功率的匹配，通过电器控制的设定，挖沟机工作的 行走速度设定在7 7 3 0 0m h 。 2 3 生产能力匹配计算 从挖沟机的主参数可知，挖沟机挖掘宽度9 0 0 m m ，最丈挖掘深度2 2 0 0 m m ， 挖掘土壤最高为v 级土，最大挖掘速度为3 0 0 m h ，链条工作速度为1 0 4 m j s ， 第二章总体设计 但由于机器安装有激光定深，2 2 0 0 m m 是用来调节的，理论挖掘深度为2 0 0 0 m m ， 所在系统计算时就以2 0 0 0 n u n 来进行计算。根据这些数据，可对最大生产能力进 行计算以及各工作机构进行匹配。 2 3 1 最大挖土能力的计算 根据挖沟机的主参数，可计算出挖沟机的最大挖土能力， 实方进行计算。挖土能力为n 矿：! 竺：皇( m 3 n 1 ) 1 0 0 0 0 0 0 式中：b _ 挖沟宽度，嗍； 卜珑沟深度，m m 。 挖土能力以土方的 ( 2 - 6 ) 矿：3 0 0 x 9 0 0 x 2 0 0 0 ：5 4 0 ( m 3 h ) 一 1 0 0 0 0 0 0 p o 为土壤的实方，在工程设计中，一般计算过程均采用松方进行计算，挖 沟机的生产能力( 松方) 为： 。= ，。 ( m 3 m )( 2 7 ) 式中：，物料松散系统。对于3 5 级土壤，取r = 1 3 。 一= l _ 3 x 5 9 4 = 7 0 2 ( m h ) 2 3 2 排料装置胶带速度与生产能力的匹配 1 胶带输送机的最大输送速度 胶带输送机的主要参数为：胶带宽度为9 0 0 r a m ，有效输送宽度为8 0 0 m m ， 挡板高度为8 0 m m ，滚筒直径2 6 5 m m 。液压系统为一个液压泵同时供给两个液压 马达。 排土装置液压泵型号：$ 9 0 7 5 c c 泵的排量q = 7 5m l r ，泵的转速为ni = 2 1 0 0 r r a i n 。 排土马达型号：o m h 2 0 0 摆线马达( 2 个) 马达排量qb t = 2 0 0 m l r ，n ，q t = o 9 6 。 根据公式( 2 1 ) 可得泵的最大流量为： q 象一= 7 5x 可2 1 0 i 石0 r x0 一9 5 = 1 4 9 6 ( 1 ) 根据公式( 2 2 ) 可得马达的最大转速为 q 选。= 1 4 9 1 6 x 历1 0 0 0 r x 0 一9 6 = 3 5 9 j d 4 ( r 触) 第二章总体设计 图2 - 2 胶带输送机在3 0 0 倾角下的堆料截面 2 4 切削功率与行走功率的匹配 挖沟机作业时，发动机所发出的功率，通过分动箱分别传递给工作装置液压 泵、行走液压泵、排料装置液压泵、液压油缸的液压泵，另外还有一部分通过发 动机的风扇用于发动机水箱的冷却以及液压系统液压油的冷却。 在这些所需的功率中，排料装置液压泵、液压油缸的液压泵以及风扇所消耗 的功率是基本固定的。丽行走速度的改变，会对工作装置功率产生影响。为此， 当挖沟机进行功率计算时，必须充分考虑切削功率与行走功率的匹配。 2 4 1 挖沟机总功率计算 1 发动机功率的组成 挖沟机发动机总功率由五部分组成，但可分成三个主要部分，即工作装置功 率、行走功率和固定消耗的功率。 n 总= n 工+ r 行+ n 目 ( k w ) 式中：j v 。发动机的总功率，k w ； ：工作装置所需的功率，k w 。行走装置所需的功率，k w ； 日排科装置、油缸以及冷却系统所需的功率，k w 。 2 工作装置所需功率的计算 f 2 1 2 ) 第二：章总体设计 工作装置所需要消耗的功率主要是为了克服链条的拉力所消耗的功率，链条 的拉力是由链轮的驱动扭矩转换为链轮的圆周力而产生，链条的拉来用于克服链 条的主切削力、附加切削力和刮板刮土阻力等。链轮圆周力矿。的计算公式为： = 畦+ + ( n )( 2 - 1 3 ) 式中：矽t 主切削力，n ； 矽m 附加切削力，n ； 形。刮土板刮土阻力，n 。 1 ) 主切削力计算 主切削力是刀刃切削土壤的阻力： ；= k o s b ( n )( 2 1 4 ) 式中：蔚一切削比阻力，n c m 2 ，挖沟机对于i v 级土可分别取1 0 ，1 5 ， 2 4 ，3 6 ，4 2 n c m 2 ： 卜单位时问内的切削土壤的厚度，e m ； s 一1 0 0 v e 丝：1 0 0 x 3 0 0 兰：! ：8 3 3 3 f c 础 3 6 0 0 v 镕c o s 3 6 0 04 c o s 6 0 。 、 争_ 挖沟宽度，c m 。 根据公式2 1 4 可以计算出挖沟机对于i v 级土的主切削力分别为7 5 0 0 n ， 1 1 2 5 0 n c m 2 ，1 8 0 0 0 n ，2 7 0 0 0 n ，3 1 5 0 0 n 。 2 1 附切削计算 附加切削力是刀刃经过一段时间工作后变钝所引起的，它与钢与土的摩擦系 数、土壤的抗压能力有关，附加阻力的计算公式为： 阡，附= f 口。k 。珂( n ) ( 2 1 5 ) 式中：产钥与土的摩擦系数，取户0 6 ； d 刀刃允许磨损的宽度，取d = o 5c m ； 也。r 一土壤的最大切开比阻力，n c m 2 ；对i v 级土可分别取1 0 0 ， 3 0 0 ，6 0 0 ，9 0 0 ，1 2 0 0n c m 2 ； 疗一参预切削刀刃数量。由挖掘链的布置可知，疗一4 0 。 对i v 级土挖沟机的附加阻力分别为：1 2 0 0 n ，3 6 0 0 n ，7 2 0 0 n ，1 0 8 0 0 n ， 1 4 4 0 0 n 。 3 ) 刮土板刮士阻力计算 刮土板刮土阻力与挖沟机的挖沟速度有关，速度快，提升的土壤多，阻力就 大，反之则小。功率计算时可按最大行走速度进行计算。 2 9 s k 3 g , v 若( 1 + 南) (2-16) 第二章总体设计 式中：岛系数，取k = - 2 2 5 ： g f r 一一个刮土板所刮土壤的重量，虹： 上3 两个刮板问的距离，l 3 = 2 5 0 r a m ； 卜土与土问的摩擦系数，取l ； 芦工作面的倾角。 经计算，其中：g 。= 1 5 9 4 k g ：, 0 = 5 8 9 8 。，那么 - 9 8 x 2 1 5 9 4 哿( 1 十蕊1 丽) = 4 4 0 2 6 。f n ) 4 ) 工作装嚣所需要消耗的功率计算 工作装置所需要消耗的功率就是链条拉力所引起的。功率计算公式为： n 【= 二一( k w )( 2 - 1 7 )。 1 0 0 0 1 、。、7 式中：1 链条的速度，m s ； 町机械效率，r - = ( j 8 5 。 根据公式2 。1 3 以及2 1 7 的计算结果可得。挖沟机在挖掘速度3 0 0 m h 和链 条速度4 m s 的情况下，对应于i v 级土的工作装置所消耗的功率分别为： 6 1 6 6 k w ，9 0 6 0 k w ，1 3 9 3 l k w ，1 9 8 6 0 k w ，2 3 6 7 2 k w 。 3 行走装置所需功率的计算 挖沟机在工作时行走装置所需功率为： n e = + w 十n o ( k 叼( 2 - 1 8 ) 式中： 克服机器行走时的内阻力的功率，k w ； 虬挖掘时，克服工作装置最大工作阻力的功率，k w ： 。爬坡功率，k w ： 1 ) 内阻力功率( w ) 计算 内阻力主要由两部分组成，一是履带对土壤的挤压变形引起的阻力，这部分 的阻力由机器的重量和外力引起的附加熏量与土壤的特性所确定；另一部分是履 带运行时履带与支重轮、张紧轮、驱动轮以及履带销轴之问摩擦所引起的阻力。 挖沟机的受力情况如图2 3 所示。 一般情况下，履带行驶车辆采用下式计算内阻力。 ，= 9 8 g w ( n ) ( 2 1 9 ) 式中：一。履带对土壤挤压变形的阻力，n ： e 一机器重量，k g ； 运行比阻力值，对不同的路面有不同的值，这时取1 神1 2 。 但挖沟机与其它履带式车辆不同，它的工作装置的工作阻力同时也作用于履 第二章总体设计 带上，所以挖沟在坡度上工作时，采用下式计算其运行阻力： i = ( 9 8 g c o s a + 阡l - s i n p ) w ( n ) ( 2 2 0 ) 式中： 口斜坡的坡度角( 。) ；挖沟机要求在0 。1 0 。的斜坡卜工作， 故此在计算时取最大值口= 1 0 。； 芦工作装置相对于挖沟机的作业角度( 。) ，取, 8 = 6 0 6 。 根据公式2 2 0 可得： l = ( 9 8 x 2 7 5 0 0 c o s l o o + 5 0 3 0 2 6 s i n 6 0 。) 0 1 2 = 3 7 0 7 6 2 8 ( n ) 履带与支重轮、张紧轮、驱动轮以及履带销轴之间摩擦所引起的阻力计算上 比较复杂，而且其计算值较小，一般采用经验公式计算。 2 = o 0 6 ( 9 8 g c o s t + 阵，s i n 卢) ( n )( 2 - 2 1 ) 根据公式2 2 l 可得： 2 = o 0 6 x ( 9 8 2 7 5 0 0 x c o s l o o + 5 0 3 0 2 6 xs i n 6 0 。) = 1 8 5 3 8 1 4 ( n ) 。 机器的内阻力为： = 形+ = 3 7 0 7 6 2 8 + 1 8 5 3 8 1 4 = 5 5 6 1 4 4 2 阻力功率计算公式为： = 旦3 6 0 0 0 0 0 r ( k ， 式中：1 ，一机器工作时的行走速度，m h ； 刁机械效率，, 7 - 0 8 5 。 根据公式2 2 2 可计算出内阻力所需要的功率： 帆：墅些! 翌塑：5 4 5( k “ 3 6 0 0 0 0 0 0 8 5 、 f 2 2 2 ) 第二章总体设计 图2 - 3 挖沟机受力筒图 2 ) 工作装置工作阻力功率计算 挖沟机_ t 作时，链齿切削土壤所产生的阻力的斜坡面上的分力同样成为行起 的阻力，它的大小为： 甑平= e o s p ( 2 - 2 3 ) 式中：。工作装置工作阻力，n ； 平= 5 0 3 0 2 6 x c o s 6 0 0 = 2 5 1 5 1 3 n 。 根据公式2 2 2 可得工作装置工作阻力所需功率： w - 器= 2 4 7 ( k 聊 3 ) 爬坡阻力功率计算 爬坡阻力是指挖沟机在斜坡上工作时机器所需要克服的机器垂直分力。 睨= 9 8 g s i n 瑾( n ) ( 2 2 4 ) 吮= 9 8 x 2 7 5 0 0 s i n l o o = 4 6 7 9 8 2 ( n ) 根据公式2 2 2 可得爬坡时所需要的功率： 一467982 x3 0 0 4 5 9 ( k w ) o 3 6 0 0 0 0 0 0 8 5 、 。 4 1 在斜坡面工作时行走功率 在斜坡面工作时行走功率计算公式为： 行= m + 。十n 。 ( k w ) ( 2 - 2 5 ) 。= 5 4 5 + 2 4 7 + 4 5 9 = 1 2 5 l( k w ) 第二章总体设计 事实上，挖沟机行走时最大功率消耗并非发生在挖沟工作时，而是在挖沟机 原地转弯或爬5 7 坡度时行走装置所消耗的功率为最大。但在这两种情况下，挖 沟机并不进行挖沟作业，也就不存功率匹配问题，所以这里不予研究。 4 固定功率的计算 固定功率是指在挖沟机工作时，不论挖沟机的工作速度如何变化，它所消耗 的功率基本不变，或者它的变化对挖沟机没有太大的影响，这方面的功率有：发 动机风扇、给液压油缸供油的液压泵、排料装置液压泵以及排料装置换向泵。但 由于排料装置的换向一般只发生在工作开始之前，挖沟机开始工作以后，换向装 置就不工作，所以这部分功率可以不考虑。 同= n 风+ 缸+ 拓 ( k w ) ( 2 _ 2 6 ) n 目= - 2 5 + 2 2 3 5 + 1 2 5 2 - 5 9 8 7 ( k w ) 根据公式2 1 2 以及各部分功率的计算，可计算出挖沟机在3 0 0 m h 的挖沟速 度下对i v 级土挖掘时的功率分别为：1 3 4 0 4 k w 、1 6 2 9 8 k w 、2 1 1 6 9 k w 、 2 7 0 9 8 k w 、3 0 9 1 k w 。 2 4 2 功率匹配 根据前面的计算过程可得出在不同行走速度下不同切削速度所需要的功率 是不同的，计算出这些功率并选3 0 0 m h 、2 5 0 m h 、2 0 0 m h 、1 5 0 m h 、1 0 0 m h 这 几个关键速度画曲线图如图2 - 4 图2 8 所示，根据这些图示分析，挖沟机在 3 0 0 m h 速度下只适合于挖掘级及以下的土壤，不适合挖掘m 级以上的土壤， 原因在于发动机功率不足。挖掘i 级以上土壤时，挖沟机的工作速度要做适当下 降，当挖沟机挖沟速度下降到1 0 0 m h 时，那么挖沟机就可以挖掘v 级土壤。从 前面的功率计算公式分析可得，对发动机总功率影响最大的是行走速度和挖掘链 的速度，对这两个速度进行控制，就能使发动机的功率长期处于功率平衡的状态。 l 挖沟链速度控制 工作装置采用单泵单马达，液压泵采用变量泵，其速度的变化由电位器来控 制，当电位器调到某个位置时，电控系统输出相应的电压给液压泵，液压泵根据 这个信号电压的大小来调整泵的斜盘摆角，从而达到调节泵的流量输出，也就改 变了工作装置的挖掘链挖掘速度。操作者可根据所挖掘土壤的硬度等级，来调节 挖掘链速度，挖沟机在工作过程中也可以随时调节这个速度。 挖掘链变速范围为0 - - 4 m s ，但从图2 - 4 2 8 所示挖沟链挖掘速度在低 于l m s 的情况下，功率有一个突变说明其系统并不稳定，所以实际使用在l 4 m s 左右，无级调速，并可在监控器上显示出速度。 兰塑 。至苎苎譬鬯控制最大限度地控制着发动机的总功率，当 i 走速度高时，挖沟 篓堂兰亍能_ ：相对就高，也就需要消耗较多的功率，反之则少。当喜蒜。弃需磊 曼功专查i 发动机所能发出的最大功率时，发动秽i 转速就会下降( 比额定转速 ! ! i 当所需功率小于发动机功率时，发动机转速就会高于额定转速。根据这不 o 图2 - 4 行走速度3 0 0 m h 时所需要的功率 二二= _ 塑型塑r 一 行走速度2 0 0 m h ，不同切削速度所需功率 _ _ 一 _ i 一 阁2 6 行走速度2 0 0 m h 时所需要的功率 + v 级土 + i v 级土 j + i j i 级土f f * i i 级土f j 牛i 级土u i 二，一总功率 要辟茸_9、 第二章总体设计 2 0 0 至 上1 5 0 斟 嘉 5 0 0 图27 行走速度1 5 0 m h 时所需要的功率 行走速度l o o m h h 寸，不同切削速度所需的功率 012 切削速度 34 5 m s + v 级土 + 级土 + i i i 级七 1 * i i 级士 + i 级土 + 总功率 图28 行走速度1 0 0 m h 时所需要的功率 2 5 激光定深系统 在挖沟机上应用的激光定深系统是高科技含量的技术，是光学、电子、液压、 机械的综合控制和利用，特别应用予对沟底要求较高的工程，如水利、光纤通信 第二章总体设计 以及石油管道辅设等工作。 2 5 1 激光定深系统的组成及工作原理 激光定深系统主要由工作装置、液压系统、激光发射器、激光接收器以及挖 沟机主机等组成。原理简图如图2 - 9 所示。 首先让挖沟机挖出一段比较合适深度的沟渠，测量出它的深度，调整出合适 的深度，暂时锁定挖沟机的工作装鬓( 液压系统有液压锁) 。在距离挖沟机不远 处架设激光发射器，让发射器和接收器开通，调节发射器的高度，由发射器和接 收器互相配合可精确设定发射器的高度，这时挖沟机可以开始工作。 激光发射器固定在三角架上，发射器可3 6 0 。旋转，形成一个光学平面，这 个光学平面既可以是个水平面，也可以是个斜坡面，根据工作条件的需要，可预 设斜坡面的角度，激光接收器就在这个光学平面内接收信号，如果接收器偏离这 个平面，接收器发出一个电信号给控制系统，控制系统根据这个信号给液压电磁 阀信号，打开电磁阀，液压系统开始给油缸给油，从而达到调节深度的目的。 激光定深系统控制是一个闭环控制回路，控制精度高，全自动控制，一般情 况下不需要人工干预。另外，激光发射和接收均为光信号，抗干扰能力强，不受 天气的影响，只要工作范围内没有建筑物和树木等遮挡物，激光控制系统就能正 常工作。定深控制系统的原理简图如图2 1 0 所示。 1 ，激光发射器2 激光接收器3 电控系统 4 工作装置 5 液压系统6 挖沟机主机 图2 - 9 激光定深系统结构组成 第二章总体设计 图2 1 0 定深控制系统原理简图 2 5 2 激光定深系统的电器控制 挖沟机定深控制采用激光控制，激光发射装置发出一个激光光源，由安装在 工作装置上的接收器接收并转换为直流电信号，由直流信号控制电液比例阀来调 节油缸的供油量和供油方向，以此来达到调节工作装置深度的目的。其电气原理 图如图2 一l l 所示。 图2 - 1 1 电器控制原理图 第二章总体设计 2 5 3 激光定深系统的液压控制 激光定深系统的液压回路主要由液压泵、比例电磁阀、流量补偿阀、高压切 断阀、油缸以及管路等元器件组成，具体的组成见图2 1 2 所示。 1 液压油缸2 液压锁3 比例电磁阀4 过滤器 5 液压泵6 过滤器7 油箱8 流量补偿阀9 高压切断阀 图2 1 2 激光定深液压原理简图 激光定深系统的液压回路是带负荷传感控制的液压回路，它的主要特点是系 统自动检测液压回路中的工作元件的压力，然后把压力信号传递给液压泵，液压 泵根据回路的压力自动调整泵的排量，以达到功率的平衡。 在图2 1 2 中可见，在流量控制阀的两端，一端承受液压泵传来的压力p ， 另一端承受负荷传感回路中l s 传递的压力p l s ，以及流量补偿阀中弹簧的压力f ， 当流量补偿阀阀芯两边所受的力达到平衡时，液压泵提供了一个稳定的流量；相 反，当系统压力发生变化时，流量补偿阀的两端受力不平衡，阀芯根据受力的大 第二章总体设计 小往左或往右开，压力油经过流量补偿阀、压力切断阀到达液压泵的变量油缸， 油缸根据力的大小，决定着改变泵的流量大小。 在激光定深系统中，激光信号通过电信号反馈给比例电磁阀，由比例电磁阀 根据电信号的电压大小来开启电磁阀的阀芯，并决定阀芯开口的大小，也就是确 定了供油的流量。如果地面是平整的，也就是电信号的电压反馈给液压系统电磁 比例阀的电压是零，这时电磁阀不开启，液压泵输出的液压油没有去处，逐渐形 成高压，由高压切断阀调整泵的摆角，使其摆角为零，也就是液压泵不供油。 2 6 机架自动调平系统 当挖沟机沿着斜坡工作时，一般挖沟机所挖出的沟就无法保证其两壁垂直， 在管道施工中，特别是用吊管机施工时，对两壁垂直度有一定要求。为了满足这 一要求，在机架上设置一摆锤式水平仪，当挖沟机左右倾斜时，水平仪给控制系 统信号，由控制系统控制油缸的升降，从而达到调平的目的。图2 一1 3 为一般挖 沟机在斜坡时的工作状态，图2 - 1 4 为带机架自动调平系统在斜坡时的工作状态。 图2 一1 3 不带自动调平挖沟机在斜坡上的工作状态 从图2 一1 3 和图2 - 1 4 中可见，带自动调平装置的挖沟机在斜坡上作业时，它 挖出的沟形是垂直于水平面的，而不带自动调平装置的挖沟机在斜坡上作业时， 挖出来的沟两个侧壁与斜坡面垂直，而不垂直于水平面。 第二章总体设计 图2 1 4 带自动调平挖沟机在斜坡上的工作状态 2 6 1 机架自动调平系统的组成及工作原理 1 底盘2 液压油缸3 液